圆波导喇叭天线的仿真与组阵.doc

物理电子学院
综合课程设计报告
题目: 圆波导喇叭天线的仿真与组阵
学生姓名: 郑发进学号: 20**********
指导教师: 朱兆君指导单位: 物理电子学院
起止时间: 2016 年 9 月 8 日至 2016 年 12 月 30 日
主要任务及预期成果:
学****和理解圆喇叭天线的相关理论和工作方式,学****使用CST软件,完成圆喇叭天线仿真与组阵。
成果形式: 纯论文(硬件/软件/硬件+软件/纯论文)
平时及报告成绩: (按100分满分)
评语:
指导教师签名:
年月日
答辩成绩: (按100分满分)
答辩评语:
答辩组长签名:
年月日
综合课程设计总成绩: (学院教务科签章)
注:报告应按学术论文撰写,3000~6000字,具体见模板。合作课题应分别撰写报告,并在封面任务、报告摘要及正文中明确阐述本人所承担的任务及完成情况。
圆波导喇叭天线的仿真与组阵
郑发进 20**********
【摘要】:喇叭天线是一种应用广泛的微波天线,其优点是结构简单、频带宽、功率容量大、调整与使用方便。CST目前是全球最大的纯电磁场仿真软件公司,提供完备的时域频域全波算法和高频算法,覆盖通信、国防、电子、电气、汽车、医疗和基础科学等领域。利用CST圆波导喇叭天线进行仿真与组阵,可以让我们更有效、方便地了解喇叭天线,对其特性作出判断。
关键词:CST;喇叭天线;仿真;组阵
引言:
传统的天线设计方法总是由设计师根据天线的分析理论以及自己的经验通过编程进行数值计算的方法来确定天线的各参数,由于一般的书本理论均建立在近似分析的基础上,故
设计初只能得到计算理论上的模型,而后根据实际实验进一步调整设计,这样做不仅花费了大量的时间和精力,而且费用昂贵。因此随着计算机技术的发展,采用现代计算机为基础的电磁场数值仿真、优化分析方法必将成为设计师的首要选择。可求解任意三维射频器件的电磁场分布,可直接得到特征阻抗、传播系数、S参数、辐射场、天线方向图等结果。自适应网格抛分技术、快速扫频、全波spice技术以及大矩阵快速压缩算法技术的应用大大提高了求解精度和速度。
1 圆波导喇叭天线介绍
喇叭天线的基本形式是把矩形波导和圆波导的开口面逐渐扩展而形成的,由于波导开口面的逐渐扩大,改善了波导与自由空间的匹配,使得波导中的反射系数小,即波导中传输的绝大部分能量由喇叭辐射出去,反射的能量很小。
喇叭天线是一种应用广泛的微波天线,其优点是结构简单、频带宽、功率容量大、调整与使用方便,方向图也比较简单而容易控制,一般作为中等方向性天线。频带宽、副瓣低和效率高的抛物反射面喇叭天线常用于微波中继通信。合理的选择喇叭尺寸,可以取得良好的辐射特性:相当尖锐的主瓣,较小副瓣和较高的增益。因此喇叭天线在军事和民用上应用都非常广泛,是一种常见的测试用天线。

图1 圆波导喇叭天线
2 喇叭天线的发展和应用
在微波波段,采用各种波导传输电磁波能量,常用的波导是矩形和圆形截面波导,也有用椭圆形截面波导的。随后人们发现终端开口的波导也可以向外辐射电磁波,于是就有了波导终端开口构成的波导辐射器,这种馈源是传输线波导的自然发展。后来为了改善方向性,压窄方向图和获得较高的增益,需要增大波导辐射器的口径面积。将波导终端做成逐渐张开的形状,这就是喇叭天线。普通喇叭的方向图在各个平面内是不相同的,两个主平面内相位中心也不重合。喇叭作为反射面天线馈源时,要求它有确定的相位中心和接近圆对称的初级方向图,这样,旋转对称的反射面天线,可以获得接近圆对称的次级方向图,具有良好的电性能。而利用高次模和主模相结合的多模喇叭和在喇叭内壁开槽的波纹喇叭,辐射方向图可以做到圆对称,且工作频带宽。这两种形式的喇叭,副瓣电平低,交叉极化分量小,相位特性良好。用它们作馈源,可使反射面天线效率提高到75%~80%。
喇叭天线的出现与早期应用可追溯到十九世纪后期,到了二十世纪三十年代,由于第二次世界大战期间对微波和波导传输线的兴趣,喇叭天线便开始发展起来。20 世纪 90 年代,随着军事斗争对毫米波制导需求的增长,以及在研制毫米波发射机和接收机方面的需求,喇叭天线获得了广泛的研究。目前,喇叭天线已大量用作遍及全世界安装的大型射电望远镜,以及卫星跟踪和通信反射面天线的馈电单元。除此之外,它也是相控阵的常用单元,并用作对其它天线进行校准和增益测试的标准天线。
喇叭天线由一段均匀波导和一段喇叭组成,可以看成是由横截面逐渐扩展而形成的一种天线,一般分为矩形喇叭和圆锥喇叭两类。矩形喇叭天线又有 H 面扇形喇叭、E 面扇形喇叭和角锥喇叭之分。由于上述普通矩形和圆锥喇叭天线具有结构简单,功率容量大和高增益的优点,所以在微波测量系统中被大量的用作标准测量天线。
3 喇